Una collaborazione guidata dal TU/e e dall'Istituto Catalano di Nanoscienza e Nanotecnologia che coinvolge ricercatori di tutto il mondo ha la risposta e il perché, e i risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances .
Gli elettroni trasportano l’energia elettrica, mentre l’energia vibrazionale è trasportata dai fononi. Comprendere come interagiscono tra loro in determinati materiali, come in un sandwich di due strati di grafene, avrà implicazioni per i futuri dispositivi optoelettronici.
Un recente lavoro ha rivelato che gli strati di grafene attorcigliati l’uno rispetto all’altro da un piccolo “angolo magico” possono agire come perfetto isolante o superconduttore. Ma la fisica delle interazioni elettrone-fonone è un mistero. Nell’ambito di una collaborazione internazionale a livello mondiale, il ricercatore TU/e Klaas-Jan Tielrooij ha condotto uno studio sulle interazioni elettrone-fonone negli strati di grafene. E hanno fatto una scoperta sorprendente.
Cosa ha detto l'elettrone al fonone tra due strati di grafene? Potrebbe sembrare l'inizio di un meme sulla fisica con una battuta finale esilarante da seguire. Ma secondo Klaas-Jan Tielrooij non è così. È professore associato presso il Dipartimento di Fisica Applicata e Formazione Scientifica della TU/e e responsabile della ricerca del nuovo lavoro pubblicato su Science Advances .
"Abbiamo cercato di capire come gli elettroni e i fononi 'parlano' tra loro all'interno di due strati di grafene intrecciati", afferma Tielrooij.
Gli elettroni sono i noti trasportatori di carica ed energia associati all'elettricità, mentre un fonone è legato alla nascita di vibrazioni tra gli atomi in un cristallo atomico.
"Tuttavia, i fononi non sono particelle come gli elettroni, sono quasiparticelle. Tuttavia, la loro interazione con gli elettroni in alcuni materiali e il modo in cui influenzano la perdita di energia negli elettroni è rimasta un mistero per qualche tempo", osserva Tielrooij.
Ma perché sarebbe interessante saperne di più sulle interazioni elettrone-fonone? "Queste interazioni possono avere un effetto importante sulle proprietà elettroniche e optoelettroniche dei dispositivi, realizzati con materiali come il grafene, di cui vedremo di più in futuro."
Tielrooij e i suoi collaboratori, che vivono in Spagna, Germania, Giappone e Stati Uniti, hanno deciso di studiare le interazioni elettrone-fonone in un caso molto particolare:all’interno di due strati di grafene in cui gli strati sono leggermente disallineati .
Il grafene è uno strato bidimensionale di atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape che presenta diverse proprietà impressionanti come elevata conduttività elettrica, elevata flessibilità ed elevata conduttività termica, oltre ad essere quasi trasparente.
Nel 2018, il premio Physics World Breakthrough of the Year è andato a Pablo Jarillo-Herrero e colleghi del MIT per il loro lavoro pionieristico sulla twistronica, in cui strati adiacenti di grafene vengono ruotati leggermente l'uno rispetto all'altro per modificare le proprietà elettroniche del grafene. .
"A seconda di come gli strati di grafene vengono ruotati e drogati con elettroni, sono possibili risultati contrastanti. Per alcuni drogaggi, gli strati agiscono come un isolante, che impedisce il movimento degli elettroni. Per altri drogaggi, il materiale si comporta come un superconduttore, un materiale con resistenza zero che consente il movimento degli elettroni senza dissipazione," afferma Tielrooij.
Meglio noto come grafene a doppio strato ritorto, questi risultati si verificano nel cosiddetto angolo magico di disallineamento, che è poco più di un grado di rotazione. "Il disallineamento tra gli strati è minimo, ma la possibilità che si crei un superconduttore o un isolante è un risultato sorprendente."
Per il loro studio, Tielrooij e il team volevano saperne di più su come gli elettroni perdono energia nel grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico, o MATBG in breve.
Per raggiungere questo obiettivo, hanno utilizzato un materiale costituito da due fogli di grafene monostrato (ciascuno di 0,3 nanometri di spessore), posizionati uno sopra l'altro e disallineati l'uno rispetto all'altro di circa un grado.
Quindi, utilizzando due tecniche di misurazione optoelettroniche, i ricercatori sono stati in grado di sondare in dettaglio le interazioni elettrone-fonone e hanno fatto alcune scoperte sconcertanti.
"Abbiamo osservato che l'energia svanisce molto rapidamente nel MATBG:avviene nella scala temporale dei picosecondi, ovvero un milionesimo di un milionesimo di secondo!" dice Tielrooij.
Questa osservazione è molto più rapida rispetto al caso di un singolo strato di grafene, soprattutto a temperature ultrafredde (in particolare inferiori a -73°C). "A queste temperature, è molto difficile per gli elettroni cedere energia ai fononi, eppure ciò accade nel MATBG. Abbiamo osservato che l'energia svanisce molto rapidamente nel MATBG:avviene nella scala temporale del picosecondo, che è un milionesimo di un- milionesimo di secondo."
Allora perché gli elettroni perdono energia così rapidamente attraverso l'interazione con i fononi? Ebbene, a quanto pare i ricercatori hanno scoperto un processo fisico completamente nuovo.
"L'interazione forte elettrone-fonone è un processo fisico completamente nuovo e coinvolge il cosiddetto scattering Umklapp elettrone-fonone", aggiunge Hiroaki Ishizuka del Tokyo Institute of Technology in Giappone, che ha sviluppato la comprensione teorica di questo processo insieme a Leonid Levitov del Massachusetts. Institute of Technology negli Stati Uniti
La diffusione Umklapp tra fononi è un processo che spesso influisce sul trasferimento di calore nei materiali, poiché consente il trasferimento di quantità relativamente grandi di quantità di moto tra i fononi.
"Vediamo continuamente gli effetti della dispersione fonone-fonone Umklapp poiché influenza la capacità dei materiali (non metallici) a temperatura ambiente di condurre il calore. Basti pensare ad esempio a un materiale isolante sul manico di una pentola", afferma Ishizuka. "Tuttavia, lo scattering Umklapp elettrone-fonone è raro. Qui però abbiamo osservato per la prima volta come elettroni e fononi interagiscono tramite lo scattering Umklapp per dissipare l'energia degli elettroni. L'interazione forte elettrone-fonone è un processo fisico completamente nuovo e coinvolge i cosiddetti scattering Umklapp elettrone-fonone."
Tielrooij e collaboratori potrebbero aver completato la maggior parte del lavoro mentre risiedeva in Spagna presso l'Istituto Catalano di Nanoscienza e Nanotecnologia (ICN2), ma come osserva Tielrooij. "La collaborazione internazionale si è rivelata fondamentale per realizzare questa scoperta."
Quindi, in che modo tutti i collaboratori hanno contribuito alla ricerca? Tielrooij afferma:"In primo luogo, avevamo bisogno di tecniche di fabbricazione avanzate per realizzare i campioni MATBG. Ma avevamo anche bisogno di una profonda comprensione teorica di ciò che accade nei campioni. In aggiunta a ciò, erano necessarie configurazioni di misurazione optoelettroniche ultraveloci per misurare anche ciò che accade nei campioni. . La collaborazione internazionale si è rivelata fondamentale per realizzare questa scoperta."
Tielrooij e il team hanno ricevuto i campioni ritorti ad angolo magico dal gruppo di Dmitri Efetov della Ludwig-Maximilians-Universität di Monaco, che è stato il primo gruppo in Europa in grado di realizzare tali campioni e che ha anche eseguito misurazioni di fotomiscelazione, mentre il lavoro teorico al MIT nel negli Stati Uniti e al Tokyo Institute of Technology in Giappone si sono rivelati cruciali per il successo della ricerca.
All'ICN2, Tielrooij e i membri del suo team Jake Mehew e Alexander Block hanno utilizzato apparecchiature all'avanguardia, in particolare la microscopia a fototensione risolta nel tempo, per eseguire le misurazioni della dinamica elettrone-fonone nei campioni.
Allora, quale sarà il futuro per questi materiali? Secondo Tielrooij, non aspettatevi nulla troppo presto.
"Poiché il materiale è in fase di studio solo da pochi anni, siamo ancora lontani dal vedere che il grafene a doppio strato ritorto con angolo magico possa avere un impatto sulla società."
Ma c'è ancora molto da esplorare sulla perdita di energia nel materiale.
"Le scoperte future potrebbero avere implicazioni per le dinamiche del trasporto di carica, che potrebbero avere implicazioni per i futuri dispositivi optoelettronici ultraveloci", afferma Tielrooij. "In particolare, sarebbero molto utili a basse temperature, il che rende il materiale adatto per applicazioni spaziali e quantistiche."
La ricerca di Tielrooij e del team internazionale rappresenta una vera svolta per quanto riguarda il modo in cui elettroni e fononi interagiscono tra loro.
Ma dovremo aspettare ancora un po' per comprendere appieno le conseguenze di ciò che l'elettrone ha detto al fonone nel sandwich di grafene.
Ulteriori informazioni: Jake Dudley Mehew et al, Raffreddamento elettrone-fononico ultraveloce assistito da Umklapp nel grafene a doppio strato ritorto con angolo magico, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj1361
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università della Tecnologia di Eindhoven
